提高多芯片拼接線性度的新方法

高慧瑩，左 寧，艾 博

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

隨著光學(xué)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，感光元件的面積越來(lái)越大，精度越來(lái)越高，組成感光元件的芯片拼接尺寸越來(lái)越小、數(shù)量越來(lái)越多，尤其當(dāng)成像尺寸到達(dá)15 000 像元的時(shí)候，不僅對(duì)芯片拼接的單行直線度要求越來(lái)越高，且對(duì)行與行之間的平行度要求也提出了嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的通過(guò)CCD 觀察、手動(dòng)拼接已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，迫切需要進(jìn)行自動(dòng)拼接、在線測(cè)量，以保證芯片拼接的質(zhì)量及效率。

1 芯片集成拼接工藝流程

芯片集成拼接方法如圖1 所示，主要是為了保證芯片拼接后每一行的直線度和行與行之間的平行度。

圖1 芯片集成拼接示意圖

芯片拼接工藝流程如圖2 所示。拼接主要環(huán)節(jié)為五步：

（1）通過(guò)CCD 觀察進(jìn)行第一片的拼接，并測(cè)量拼接后的芯片上兩個(gè)特征點(diǎn)位置坐標(biāo)；

（2）根據(jù)第一片拼接的兩個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合拼接允許誤差，確定第二片的拼接位置并進(jìn)行第二片自動(dòng)拼接，并進(jìn)行第二片芯片的特征點(diǎn)位置測(cè)量；

（3）根據(jù)第一片、第二片四個(gè)特征點(diǎn)拼接位置，結(jié)合拼接誤差確定第三片芯片的拼接位置，并進(jìn)行測(cè)量，以此類(lèi)推，確定同一行第m個(gè)芯片的拼接位置并進(jìn)行拼接和測(cè)量；

圖2 拼接流程示意圖

（4）根據(jù)第一行的芯片拼接特征點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行線性度擬合，確定第一行芯片拼接的直線度，并根據(jù)直線度允許誤差，確定第二行第一片的芯片拼接位置，并進(jìn)行拼接；

（5）按照第二步、第三步的方法，完成第二行的芯片拼接并測(cè)量直線度。以此類(lèi)推，進(jìn)行第n行芯片的拼接和測(cè)量。

2 芯片拼接方法

芯片上選2 個(gè)特征點(diǎn)，將2 個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)分別定義為（xnm1，ynm1），（xnm2，ynm2），其中n代表從上到下的行順序，m代表行內(nèi)的從左到右的芯片順序。同一行兩片芯片間的間距為a，每一行之間的間距為c。直線度允許誤差定義為（△x1、△y1），平行度允許誤差定義為（△x2、△y2），所有坐標(biāo)的提取均通過(guò)CCD 掃描，圖像識(shí)別自動(dòng)在線提取。

2.1 首片拼接后的處理

在基板上的固定位置將首片芯片拼接粘合后，通過(guò)CCD 掃描，圖像識(shí)別，得出其上兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位置坐標(biāo)：

通過(guò)這兩個(gè)坐標(biāo)擬合出連接這兩點(diǎn)的直線方程式為：

該直線的斜率k為：

該直線的截距b為：

結(jié)合兩片芯片間的間距a和可接受的位置誤差△x1、△y1，可以通過(guò)如下公式確定出第二片芯片拼接兩個(gè)特征點(diǎn)的位置范圍。

(x121，y121)的坐標(biāo)范圍為：

(x122，y122)的坐標(biāo)范圍為：

2.2 單行第n+1 片芯片的拼接方法

確定了第二片芯片的拼接位置后控制設(shè)備進(jìn)行拼接操作，拼接后再使用CCD 相機(jī)對(duì)新拼接好后的芯片進(jìn)行圖像掃描，從第三片起識(shí)別出每一個(gè)剛拼接好的芯片上的兩個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)：

通過(guò)將前n片芯片上的2n個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)值代入最小二乘法公式進(jìn)行計(jì)算，即可擬合出一條線性歸回直線方程，其用到的公式見(jiàn)式(8)～式(11)：

線性回歸直線方程的表達(dá)式為y=kx+b，其中參數(shù)k為該條直線的回歸系數(shù)，可以用其描述該直線的傾斜程度，b為截距。要求出公式中的參數(shù)k和b，可以使用公式(12)、(13)進(jìn)行計(jì)算：

繼續(xù)通過(guò)間距a和位置誤差范圍△x、△y，即可通過(guò)以下公式確定出第n+1 個(gè)芯片拼接的兩個(gè)特征點(diǎn)位置。

(x1(n+1)1，y1(n+1)1)坐標(biāo)范圍為

(x1(n+1)2，y1(n+1)2)坐標(biāo)范圍為：

2.3 第n 行芯片的拼接方法

在拼接完成上一行的芯片后，通過(guò)將兩行芯片之間的垂直位置間距c代入計(jì)算方法，即可求得該行首片芯片第一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的粘接坐標(biāo)(xn11，yn11)。為了保證每行芯片的平行度達(dá)標(biāo)，將坐標(biāo)(xn11，yn11) 和上一行的線性回歸直線方程中的斜率k代入的表達(dá)式y(tǒng)=kx+bn中，即可求得參數(shù)bn的值如式(18)：

將兩標(biāo)記點(diǎn)之間的距離d引入，即可求出該行首片芯片的第二個(gè)標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)(xn12，yn12)式為：

通過(guò)計(jì)算得出的該行首片兩標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)，即可得出其拼接具體位置。拼接完成首片后，采用和單行拼接時(shí)首片拼接后的處理同樣方法來(lái)拼接第二片(同前述2.1 節(jié))，配合CCD 圖像掃描，從第三片起，使用反復(fù)迭代擬合直線的方式來(lái)對(duì)該行剩余芯片進(jìn)行拼接（同前述2.2 節(jié)）。第n行芯片拼接流程如圖3 所示。

3 拼接后直線度平行度檢測(cè)

處理坐標(biāo)數(shù)據(jù)擬合曲線的方法有多種，我們遵循設(shè)備工藝特點(diǎn)采用了最小二乘法來(lái)對(duì)每組坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求出其線性回歸方程，通過(guò)分析該線性方程，即可比對(duì)出拼接后芯片的幾何位置直線度以及平行度。

獲得了每條直線方向拼接后芯片的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，將每組坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘法進(jìn)行擬合求出其線性回歸方程。

通過(guò)計(jì)算得出拼接后芯片位置的線性回歸方程后，即可用以下方法計(jì)算求出芯片拼接的直線度和平行度：

直線度：對(duì)每一組坐標(biāo)擬合出的直線進(jìn)行擬合計(jì)算，如果第一個(gè)標(biāo)識(shí)和最后一個(gè)的垂直位置相差在直線度允許范圍內(nèi)，則該水平方向上的芯片拼接直線度符合要求，反之亦然。

圖3 多行芯片拼接流程

平行度：將兩組坐標(biāo)數(shù)據(jù)擬合出的線性回歸方針的斜率k、k′進(jìn)行對(duì)比，其誤差在平行度允許范圍內(nèi)為拼接平行度合格，反之亦然。

在直線度、平行度的檢測(cè)過(guò)程中，我們?cè)O(shè)定直線度、平行度的范圍為±5 μm。

3.1 芯片水平位置檢測(cè)

通過(guò)內(nèi)置模塊的自動(dòng)計(jì)算處理，即可快速檢測(cè)出芯片拼接水平位置的放置誤差，并且實(shí)時(shí)傳遞給拼接設(shè)備對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，高效可靠。如下圖所示為使用通過(guò)圖像獲取到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算直線度和平行度的算法流程。

3.2 檢測(cè)方法

對(duì)涉及的算法進(jìn)行編程，最終求出線性回歸方程y=ax+b。

程序代碼中的變量dSumX、dSumY為識(shí)別點(diǎn)x、y坐標(biāo)的和，dMeanX、dMeanY為識(shí)別點(diǎn)x、y坐標(biāo)的平均值，通過(guò)對(duì)每一個(gè)識(shí)別點(diǎn)的x、y坐標(biāo)分別進(jìn)行累加后處理求得：

圖4 計(jì)算直線度和平行度算法流程

求得所有參數(shù)后，將最小二乘法求線性回歸方程的公式通過(guò)代碼實(shí)現(xiàn)，即可求得線性方程的斜率a以及截距b：

4 檢測(cè)算法仿真分析

為了驗(yàn)證上述方法的可行性，通過(guò)CCD 提取拼接后需要檢測(cè)的2 行，每行各15 個(gè)特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)，數(shù)據(jù)如表1 所示。

利用特征點(diǎn)散點(diǎn)位置坐標(biāo)，通過(guò)最小二乘法擬合出如圖5 所示的擬合直線，并得出線性回歸方程分別為：

分析圖5 中的2 條擬合直線及其方程，可見(jiàn)第一行在垂直方向的誤差為3.2，線性回歸方程斜率為0.058。第二行垂直方向的誤差為2.1，線性回歸方程斜率為0.038。假定設(shè)定的直線度誤差閾值為5，則該次拼接的直線度達(dá)標(biāo)。將方程1 和方程2 的斜率進(jìn)行對(duì)比即可求得其平行度數(shù)值。假定設(shè)定的平行度斜率差不能超過(guò)0.05，則模擬的兩行芯片因其拼接各自的線性回歸方程斜率差為0.02，則可判定其平行度達(dá)標(biāo)。

表1 CCD 提取位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)表

圖5 仿真計(jì)算平行度

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)智能化、自動(dòng)化的拼接方式解決手動(dòng)拼接中的誤差過(guò)大、一致性不好、效率低等工藝問(wèn)題已成為光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域多芯片拼接的主要發(fā)展趨勢(shì)。本文采用位置坐標(biāo)擬合，拼接預(yù)定位等方法實(shí)現(xiàn)多芯片自動(dòng)拼接，提升了芯片拼接的線性度，并通過(guò)仿真分析和實(shí)例驗(yàn)證，證明該方法可有效提升芯片的拼接精度，確保拼接直線度、平行度在可控誤差范圍內(nèi)。